Erster Einzelmolekül-Transistor

Erst Transistoren ermöglichen es elektronischen Chips, mit Bits zu hantieren und schwache Signale zu verstärken. Südkoreanische und amerikanische Forscher haben nun den ersten Transistor hergestellt, dessen Herzstück ein einzelnes organisches Molekül ist. Eingespannt zwischen zwei winzigen Goldelektroden, lässt sich die elektrische Leitfähigkeit des Moleküls gezielt variieren.

Grafik: Hyunwook Song und Takhee Lee

“Unsere Resultate demonstrieren, dass die Herstellung echter molekularer Transistoren möglich ist”, schreiben die Forscher um Takhee Lee vom Gwangju Institute of Science and Technology und Mark Reed von der Yale University im Magazin “Nature”. Damit verbesserten sich die Chancen, einst ganze elektronische Bauteile und Schaltkreise im Molekülmaßstab produzieren zu können.

Transistoren sind das elektronische Gegenstück zum Wasserhahn: je nach Öffnungszustand lassen sie Strom unterschiedlich gut passieren. Die Funktion des Stellrädchens erfüllt dabei eine Steuerelektrode. Je höher die Spannung ist, die an dieser Elektrode anliegt, desto weiter “geöffnet” ist der Transistor. Geschickt kombiniert, bilden Transistoren die Grundelemente von Speicherchips und Computerprozessoren, aber auch von Audioverstärkern.

Zur Herstellung ihres Einzelmolekül-Transistors überzogen die Forscher einen hauchdünnen Golddraht mit einer Lage Dithiooktan oder Dithiobenzol. Dann legten sie eine stärker werdende Spannung an den Draht an, sodass nicht nur die Elektronen, sondern auch die Goldatome selbst in Bewegung gerieten. Als Resultat entstand ein etwa zwei Nanometer (Millionstel Millimeter) schmaler Spalt im Draht – schmal genug, um von Molekülen des organischen Überzugs überbrückt zu werden. Tatsächlich bildete sich bei etwa jedem zehnten Versuch eine solche Ein-Molekül-Brücke.

Zunächst floss kaum Strom durch dieses Molekül. Das änderte sich jedoch, sobald die Forscher eine elektrische Spannung an eine dritte, sorgfältig isolierte Elektrode unterhalb der molekularen Brücke anlegten. Je stärker negativ diese Steuerspannung war, desto größer wurde die Leitfähigkeit der Anordnung.

Der Effekt ging nicht etwa auf Kurzschlüsse oder andere Störfaktoren zurück, konnten Lee, Reed und Kollegen durch eine Reihe von Messungen belegen. Vielmehr werden die Elektronenhüllen in der organischen Brücke durch das Steuerfeld regelrecht “deformiert”, sodass sich dem elektrischen Strom neue Schlupflöcher eröffnen.

Trotz dieses Erfolg sei nicht allzu bald mit Computerchips im Molekülmaßstab zu rechnen, betont Reed. “Es ist nicht so, dass wir kurz davor ständen, die nächste Generation integrierter Schaltkreise zu produzieren”, so der Forscher. Schon die geringe Erfolgsquote bei der Herstellung der Ein-Molekül-Brücken verdeutliche, dass noch viele Jahre Entwicklungsarbeit zu leisten seien.

Forschung: Hyunwook Song und Takhee Lee, Department of Nanobio Materials and Electronics und Department of Materials Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, Südkorea; Mark A. Reed, Department of Electrical Engineering and Applied Physics, Yale University, New Haven, Connecticut; und andere

Veröffentlichung Nature, Vol. 462, 24./31. Dezember 2009, pp 1039-43, DOI 10.1038/nature08639

WWW:
Gwangju Institute of Science and Technology
Mark A. Reed Group, Yale University
Transistor

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